Optische Kohärenztomographie (OCT)

Thema

Die optische Kohärenztomographie (OCT) wurde ursprünglich für die tiefenaufgelöste Visualisierung biologischer Materialien entwickelt. Dank intensiver Forschung etablierte sie sich aber auch erfolgreich in Anwendungsbereichen außerhalb der Medizin.

Am Fraunhofer IKTS wird die OCT zur dreidimensionalen Abbildung verschiedenster Materialstrukturen wie Keramik, (glasfaserverstärkter) Kunststoff, Glas oder biologischer Materialien verwendet. Dabei erlaubt die OCT Prüfungen in Echtzeit ohne direkten Kontakt mit der Probe.

 

Das Prinzip der optischen Kohärenztomographie (OCT)

 

Die OCT als nicht-invasives, tomographisches Verfahren ermöglicht es, die Topographie von Oberflächen und inneren Strukturen in streuenden Medien sichtbar zu machen. Dazu wird das Untersuchungsobjekt mit breitbandigem nahinfrarotem Licht bestrahlt und das Streulicht spektroskopisch verarbeitet. Das Auflösungsvermögen der OCT beträgt dabei zwischen zwei und 20 µm. Außerdem besticht die OCT durch ihre hohe Messgeschwindigkeit. Innerhalb weniger Sekunden können volumetrische Untersuchungsbereiche erfasst werden.

 

Anwendungsfelder der optischen Kohärenztomographie (OCT)

 

Für die Verpackungstechnik, Kunststoff-, Elektronik-, Solar- oder Nahrungsmittelindustrie bietet die Arbeitsgruppe »Charakterisierungsverfahren« anwendungsspezifische OCT-Studien an. Zudem entwickeln die Wissenschaftler kundenspezifische OCT-Prüfsysteme für Laborbetrieb, Produktprüfung und Prozessüberwachung.

Im medizinischen Umfeld werden pharmakologische Produkte und diverse Biomaterialien, z. B. aus der Dermatologie oder Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde, charakterisiert.

 

© Fraunhofer IKTS
Visualisierung eines Schweißnaht-Querschnitts mittels OCT.
© Fraunhofer IKTS
Fehlerdetektion – OCT-Abbildung eines Risses in einer mit lasergeschnittenen Keramik.
© Fraunhofer IKTS
Querschnitt einer inhomogenen Keramik mit fadenartigem Einschluss.

Optische Kohärenztomographie (OCT) in der additiven Fertigung (AM)

© Fraunhofer IKTS
Querschnittsbild eines additiv gefertigten Bauteils.

Additive Fertigung (engl. additive manufacturing, AM) erlaubt es, Bauteile mit geometrischen Freiheitsgraden zu gestalten, die mit konventionellen Formgebungsverfahren nicht erzielt werden können. AM erlaubt damit die Fertigung individuell geformter Bauteile der Losgröße eins und solcher für Spezialanwendungen. Gleichzeitig belebt die Zunahme an additiv gefertigten Bauteilen den Bedarf an Technologien für deren Inline-Prozessüberwachung und - validierung. Die OCT ist dafür hervorragend geeignet.

 

Beim schichtweisen Auftrag von Keramiken, Kunststoffen oder auch Metallen können nicht nur oberflächliche Fehler, sondern auch Defekte im Inneren der gedruckten Struktur entstehen. Mittels OCT ist es möglich, die Oberfläche der aufgebrachten Materialien hochaufgelöst zu analysieren. Zudem lassen sich bei Kunststoffen und Keramiken Homogenität und Dicke der gedruckten Schichten überwachen. Darüber hinaus kann die innere Struktur der additiv gefertigten Bauteile in frühen Fertigungsstadien visualisiert werden. Während des Druckprozesses auftretende Einschlüsse oder Inhomogenitäten können detektiert und zur Prozessqualifizierung genutzt werden.

Durch das frühzeitige Erkennen von Defekten können Prozesse optimiert und damit Kosten gespart werden. Beim Auftreten kritischer Fehler während der Bauteilfertigung wird deren Herstellung direkt gestoppt. Von besonderem Interesse ist dieser Aspekt in der additiven Fertigung von Keramikbauteilen, da hier die Endbearbeitung (Trocknen und Sintern) und eventuelle Nachbearbeitungen technisch und finanziell sehr aufwendig sind.

 

Das Fraunhofer IKTS hat sich auf die Entwicklung kundenspezifischer OCT-Systeme spezialisiert. Dabei wird die gesamte Entwicklungskette von der Systemauslegung (Auflösungen, Geschwindigkeiten, Messbereiche, eingesetzte Beleuchtungswellenlänge) über die Entwicklung hochoptimierter Messköpfe bis zur Entwicklung von Bedien-, Visualisierungs- und Datenaufbereitungssoftware abgedeckt. Die Integration von IKTS-entwickelten OCT-Systemen in vorhandene AM-Drucker ist ebenfalls möglich.

Vorteile der optischen Kohärenztomographie (OCT)

 

  • Nicht-invasives, berührungsloses Messverfahren
  • Auflösung im Sub-Mikrometer-Bereich (mit Lichtquellen sehr großer spektraler Breite)
  • Schnelles Verfahren mit > 30 B-Bildern pro Sekunde
  • Keine Probenpräparation nötig
  • Keine ionisierende Strahlung
  • Variabler Messbereich

OCT-Leistungsangebot

 

  • Dreidimensionale Visualisierung der Oberflächen- und inneren Struktur inkl. Analyse
  • Statische und dynamische Schichtdickenmessung (Schichtdicken im µm- bis mm-Bereich)
  • Prozessnahe Eignungsstudien (auch vergleichend mit anderen Verfahren)
  • Entwicklung universal einsetzbarer Labormessplätze und anwendungsspezifischer Prüfplätze
  • Räumlich aufgelöste Geschwindigkeitsmessung mittels Doppler-OCT (zum Beispiel Mikrofluidik)
  • Vor-Ort-Vorführungen beim Kunden

 

Forschungskooperation

 

  • Forschungskooperation mit IMM electronics GmbH zur Integration der OCT-Technik in Anlagen zur additiven Fertigung